JP4619519B2 - Optical cross connect - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバ通信システムに関し、特にマイクロ電子機械システム(micro Electromechanical systems;MEMS)傾斜ミラー列を用いた光学クロスコネクト構造に関する。
【0002】
【従来の技術】
光ファイバ通信システムにおいては、信号のルーティングがデータを搬送している光学信号を目的とする場所に向けるために必要である。既存のルーティング技術は、入力ファイバと出力ファイバとの間の光学信号の結合の効率が悪いために光学パワー損失を受ける。このため光学パワーを光学システム内に注入することによりパワー損失を補うために用いられる光学パワーソース(例、ポンプレーザ)への依存度を増すことになる。光学パワーソースが必要となることにより光学システムの全体的なコストが上昇する。
【0003】
信号ルーティングに対する別の必須要件は、複数の入力ファイバあるいはポートの一つから受信した信号を複数の出力ファイバあるいはポートの何れかに、光学信号の周波数と無関係に向けることを特徴とするが出来ることである。公知の光学信号のルーターは、周波数依存性があるために信号の周波数に基づいて出力ポートにそれぞれが別々の波長を有する複数の信号をルーティングすることに対し影響力を有する。例えば、米国特許出願第09/414,622号(1999年10月8日出願)においては周波数が隣接する複数の波長は、ランダムに選択された出力ファイバではなく、空間的に隣接する出力ファイバにルーティングされる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
従って、光学コネクトシステムはパワー損失を減らし、フレキシブルな周波数ルーティング機能を有するのが好ましい。
【0005】
【課題を解決するための手段】
従来公知の光学クロスコネクトに対する改良は、入力光ファイバから出力光ファイバに光学信号を向けるための傾斜したマイクロ電子機械システム(MEMS)ミラーの列を用いた光学クロスコネクトを提供することにより実現できる。本発明の光学クロスコネクトは、複数の入力ファイバから光学信号を受領するレンズ列を有する。このレンズ列は複数のレンズ素子から構成され、各レンズ素子は、光学信号をMEMSミラー列に向ける。即ち、集光する。このMEMSミラー列は、複数のミラー素子を有し、各素子は制御信号を所望のミラー素子に加えることにより一つあるいは複数の回転軸の周囲で傾斜する。かくして光学信号は様々なパスに沿って様々な出力ファイバに向けることが出来る。
【0006】
本発明の一実施例においては、入力用と出力用のレンズ列は入力用と出力用のMEMSミラー列と共に用いられる。この入力用レンズは入力光学信号を入力用のMEMS列に向けて、そしてこの入力用MEMS列が各信号を各ミラーの傾斜方向に関連した方向に反射させる。この反射した信号を出力用のMEMSミラー列が受光し、更にそれを出力用レンズ列に向けて反射して出力用ファイバと結合する。
【0007】
本発明の他の実施例においては、入力用と出力用のレンズ列は、共通の基板上に形成され、反射表面がそれらの間に配置されて入力用と出力用のMEMSミラー列が第1の基板とは反対の場所に配置された第2の共通基板上に形成される。この反射表面は、入力用のMEMS列から反射された光学信号を受光し、それらを出力用のMEMS列に向ける。
【0008】
本発明の更に別の実施例においては、透過特性を有する光学素子を第1のMEMSミラーと第2のMEMSミラーと光学的に導通する場所に配置する。この光学素子は、光学信号を透過あるいは反射の何れかでもって第1と第2のミラー列との間で光学信号を向けて第1光ファイバ列と第2光ファイバ列の間に光学信号を選択的に転送する。
【0009】
【発明の実施の形態】
マイクロ電子機械システム(MEMS)技術を用いて実現した2軸の傾斜ミラーの列により、光学システムで用いられる大規模な光学クロスコネクトが構成できる。光学クロスコネクトを用いて複数の入力光学パスを複数の出力光学パスに接続する。光学クロスコネクトの一般的な要件は、何れかの入力も、何れかの出力に接続できることである。ミラー列10の例を図1に示す。このミラー列10は、スプリング14に搭載され電極(図示せず)により制御された複数の傾斜ミラー12を有する。各傾斜ミラー12は、100−500μmの大きさで四角形、円形、楕円形のような形状をしており、電極に加えられた電圧により決定される傾斜角でもってX−Y軸の周囲に回転、即ち、傾斜する。ミラー列10の動作の詳細は、米国特許出願第09/415,178号(出願日;1999年10月8日)に開示されている。複数のミラー列10を用いて光学クロスコネクトを構成する一般的な技術は、米国特許出願第09/410,586号(出願日;1999年10月1日)に開示されている。
【0010】
本発明によれば1つあるいは複数のMEMS傾斜ミラー列をレンズ列と共に用いることにより様々な光学クロスコネクトの構成がコンパクトなサイズ(即ち、クロスコネクト構成要素の間のスペースが最小)で光学パワー損失が最小となるようなものが実現できる。本発明によるクロスコネクト100を図2に示す。クロスコネクト100は、従来公知の列として形成した複数の入力用光ファイバ列112を介して光学信号108を受光する。入力用光ファイバ列112は、説明を容易にするために4本の入力用光ファイバ列112a,入力用光ファイバ列112b,入力用光ファイバ列112c,入力用光ファイバ列112dを有する一次元列として示している。本明細書における光ファイバ列112と他の光ファイバ列は2次元のNxNの列とする。
【0011】
入力用光ファイバ列112はコリメートレンズとして機能する入力用レンズ列114に光学信号108を送る。入力用レンズ列114は入力用光ファイバ列112に対し、各レンズは光学信号108からのペンシルビーム116を生成できる光ファイバと光学的に通じるように配置される。ビーム116aは入力用光ファイバ列112aにより搬送された信号から生成され、ビーム116dは入力用光ファイバ列112dにより搬送された信号から生成される。以下同様である。
【0012】
第1のMEMS傾斜ミラー列である118は、入力列とも称し、入力用レンズ列114と整合して配置され、その結果傾斜ミラー12がビーム116を受光する。ミラー素子は米国特許出願第09/415,178号に開示された方法で傾斜して、ビーム116を第2の即ち出力用MEMSミラー列である122に反射する。そしてこのMEMS列122は、MEMS列118と光学的に導通した位置に配置されている。MEMS列118内の各ミラー素子の傾斜角に依存して反射信号は、MEMS列122内の特定のミラー素子に選択的に向けられる。この原理を示すためにビーム116aは、反射ビーム120aと反射ビーム120a´を生成し、ビーム116dは、反射ビーム120dと反射ビーム120d´を反射するように示している。これらのビームをMEMS列122内のミラー素子が受光し、それをビーム124として出力用レンズ列126に向ける。出力用ファイバ列128は、出力用レンズ列126と整合して光学信号129を受領する。斯くして出力用レンズ列126はビーム124を出力用ファイバ列128に結合する。
【0013】
クロスコネクト100は各出力ファイバを出力ミラー列内のミラーに1対1でマッピングする。これはシングルモードファイバで必要であるがその理由は、パワー損失を低く押さえるために入力ビームと出力ビームが光ファイバの軸と同軸で整合するのに必要な開口数が小さいためである。図2のクロスコネクトによりファイバ列とミラー列との十分なスペースが必要とされるミラー角のズレを制限することが出来る。
【0014】
回析損失を低下させるような通常のスペース寸法は、50−100mmである。ミラー列とレンズ列とファイバ列が同一面上にある。即ち、入力用光ファイバ列112と入力用レンズ列114とMEMS列122が互いに同一面上にある場合には出力用ファイバ列128,出力用レンズ列126,MEMS列118は互いに同一面上にあり、かくして2つの類似のモノリシックなブロックが形成できる。このクロスコネクトの組立は、1つの6軸整合を必要とするだけである。
【0015】
本発明の他のクロスコネクト200を図3に示す。図2のクロスコネクト100と同様にクロスコネクト200は、入力用レンズ列214と出力用レンズ列226とを有し、それぞれ入力用光ファイバ列212と出力用ファイバ列228とを通過する光学信号を通じさせる。入力用ミラー列MEMS列218と出力用ミラー列222は入力ファイバ列と出力ファイバ列の間で光学信号を向けることが出来るように入力用レンズ列214と出力用レンズ列226とから離間している。クロスコネクト100とは異なり図3のデバイスは、クロスコネクト網の反対側に配置されたMEMSミラー列とレンズ列とを有し、これにより製造が容易となる。特にミラー列は第1の共通基板上にモノリシックに集積され、レンズ列とファイバ列は第2の共通基板上にモノリシックに集積される。MEMSミラー列の間の信号ルーティングを行うために入力用レンズ列214と出力用レンズ列226は互いに離間して共通基板上に形成され、その結果それらの間に反射素子230が配置される。反射素子230は、個別の平面ミラーあるいはレンズ基板上に形成された反射コーティング材料(例、金)でMEMS列218とMEMS列222との間の光学信号を通信するよう配置されている。レンズ列が配置されると反射ビーム220は同一面のミラー列で1個の6軸整合が必要とされるだけである。
【0016】
図4に図3の変形例をクロスコネクト300として示す。図3との主な違いは反射素子230を取り除いたことである。同図に示すように、MEMS列318とMEMS列322は、入力用レンズ列314,出力用レンズ列326を含む基板面に対し傾斜しており、その結果光学信号は、ミラー列との間を直接やりとりされる。この実施例においては各ファイバ列(例、入力用光ファイバ列312)と対向するミラー列(例、MEMS列318)との間の最大距離は小さい。これは重要な設計上の考慮事項であり、特にファイバ列の正確な方向付けが弱いときにそうである。ミラー列内のミラー素子は、スイッチの接続(例、ルーティング機能)を調整するためのみならず、ファイバ列の不完全性を補うためにも用いることが出来る。
【0017】
図5は、MEMSミラー列420に対しオフセット構造のミラー430を採用した別のクロスコネクト400を示す。この実施例においては1つのファイバ列410と1つのレンズ列416と1つのMEMSミラー列420が折り重なった状態のクロスコネクト構成で用いられる。1本のファイバ列は、組み合わされた入力/出力列として機能する。入力信号412は 光ファイバ414によりレンズ列416に与えられ、MEMSミラー列420a上にイメージを形成する。その後このビームはミラー430に反射され、更にMEMSミラー列420bに反射して戻され、レンズ列416を介して出力用ファイバ422に出力する。この構成においては入力ポートと出力ポートとの間の区別は存在しない。斯くして1つのポートを使用せずに32×32のミラー列でもってこのクロスコネクトは、1×1023のスイッチ、あるいは3411×2のスイッチの列、あるいは512×512の光学クロスコネクトとして用いることが出来る。他の変形例も存在する。例えば、クロスコネクトの要素の他の組み合わせ(例、2個の1×128のスイッチ、64個の2×2のスイッチ、1個の256×256スイッチを32×32ミラー列と共に使用することが出来る)である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明と共に用いられるMEMSミラー列の一例を表す平面図。
【図2】本発明の一実施例による光学クロスコネクトを表す図。
【図3】図2の光学クロスコネクトの他の実施例を表す図。
【図4】図2の光学クロスコネクトの更に別の実施例を表す図。
【図5】本発明の更に別の実施例による「折り曲げられた」光学クロスコネクトを表す図。
【符号の説明】
10 ミラー列
12 傾斜ミラー
14 スプリング
100,200,300 クロスコネクト
108,208,308 光学信号
112,212,312 入力用光ファイバ列
114,214,314 入力用レンズ列
116,216,316 ビーム
118,218,318 MEMS列
120,220 反射ビーム
122,222,322 MEMS列
124,224,324 ビーム
126,226,326 出力用レンズ列
128,228,328 出力用ファイバ列
129,229,329 光学信号
230 反射素子
400 クロスコネクト
410 ファイバ列
412 入力信号
414 光ファイバ
416 レンズ列
418 ビーム
420 MEMSミラー列
430 ミラー
422 出力用ファイバ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical fiber communication system, and more particularly to an optical cross-connect structure using a micro electromechanical system (MEMS) tilted mirror array.
[0002]
[Prior art]
In fiber optic communication systems, signal routing is necessary to direct the optical signal carrying data to the intended location. Existing routing techniques suffer from optical power loss due to inefficient optical signal coupling between the input and output fibers. This increases the dependence on the optical power source (eg, pump laser) used to compensate for power loss by injecting optical power into the optical system. The need for an optical power source increases the overall cost of the optical system.
[0003]
Another essential requirement for signal routing is that signals received from one of multiple input fibers or ports can be directed to one of multiple output fibers or ports independent of the frequency of the optical signal. It is. Known optical signal routers are frequency dependent and therefore have an impact on routing multiple signals, each having a different wavelength, to the output port based on the frequency of the signal. For example, in US patent application Ser. No. 09 / 414,622 (filed Oct. 8, 1999), multiple wavelengths that are adjacent in frequency are not spatially selected output fibers, but spatially adjacent output fibers. Routed.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
Accordingly, the optical connect system preferably has reduced power loss and a flexible frequency routing function.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
An improvement over previously known optical cross-connects can be realized by providing an optical cross-connect that uses an array of tilted micro-electromechanical system (MEMS) mirrors to direct optical signals from the input optical fiber to the output optical fiber. The optical cross-connect of the present invention has a lens array that receives optical signals from a plurality of input fibers. The lens array is composed of a plurality of lens elements, and each lens element directs an optical signal to the MEMS mirror array. That is, it collects light. The MEMS mirror array has a plurality of mirror elements, and each element is tilted around one or a plurality of rotation axes by applying a control signal to a desired mirror element. Thus, the optical signal can be directed to various output fibers along various paths.
[0006]
In one embodiment of the present invention, the input and output lens arrays are used together with the input and output MEMS mirror arrays. The input lens directs the input optical signal to the input MEMS array, and the input MEMS array reflects each signal in a direction related to the tilt direction of each mirror. The reflected signal is received by the output MEMS mirror row, and further reflected toward the output lens row to be coupled to the output fiber.
[0007]
In another embodiment of the present invention, the input and output lens arrays are formed on a common substrate, the reflective surface is disposed between them, and the input and output MEMS mirror arrays are first. Is formed on a second common substrate disposed at a position opposite to the substrate. The reflective surface receives the optical signals reflected from the input MEMS string and directs them to the output MEMS string.
[0008]
In yet another embodiment of the present invention, an optical element having transmission characteristics is disposed at a location that is in optical communication with the first MEMS mirror and the second MEMS mirror. The optical element directs the optical signal between the first and second mirror arrays by transmitting or reflecting the optical signal, and directs the optical signal between the first optical fiber array and the second optical fiber array. Selectively forward.
[0009]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
A large-scale optical cross-connect used in an optical system can be constituted by an array of two-axis tilt mirrors realized by using micro electro mechanical system (MEMS) technology. A plurality of input optical paths are connected to a plurality of output optical paths using an optical cross connect. The general requirement for an optical cross-connect is that any input can be connected to any output. An example of the
[0010]
In accordance with the present invention, optical power loss is achieved with a compact size (ie, minimal space between cross-connect components) in various optical cross-connect configurations by using one or more MEMS tilt mirror rows with lens rows. Can be realized that minimizes A cross-connect 100 according to the present invention is shown in FIG. The cross connect 100 receives an optical signal 108 through a plurality of input optical fiber arrays 112 formed as a conventionally known array. For ease of explanation, the input optical fiber array 112 is a one-dimensional array having four input optical fiber arrays 112a, an input optical fiber array 112b, an input optical fiber array 112c, and an input
[0011]
The input optical fiber array 112 sends an optical signal 108 to the input lens array 114 that functions as a collimating lens. The input lens array 114 is positioned relative to the input optical fiber array 112 such that each lens is in optical communication with an optical fiber capable of generating a pencil beam 116 from the optical signal 108. The beam 116a is generated from the signal carried by the input optical fiber array 112a, and the
[0012]
The first MEMS tilting mirror row 118, also referred to as an input row, is arranged in alignment with the input lens row 114, so that the tilting mirror 12 receives the beam 116. The mirror element is tilted in the manner disclosed in US patent application Ser. No. 09 / 415,178 to reflect the beam 116 to a second or output MEMS mirror array 122. The MEMS row 122 is arranged at a position that is optically connected to the MEMS row 118. Depending on the tilt angle of each mirror element in the MEMS array 118, the reflected signal is selectively directed to a particular mirror element in the MEMS array 122. To illustrate this principle, beam 116a generates reflected beam 120a and reflected beam 120a ′, and
[0013]
The cross connect 100 maps each output fiber to the mirror in the output mirror array on a one-to-one basis. This is necessary for a single mode fiber because the numerical aperture required to align the input and output beams coaxially with the axis of the optical fiber to keep power loss low is small. The cross-connect in FIG. 2 can limit the mirror angle deviation that requires a sufficient space between the fiber array and the mirror array.
[0014]
A typical space dimension that reduces diffraction loss is 50-100 mm. The mirror row, the lens row, and the fiber row are on the same plane. That is, when the input optical fiber array 112, the input lens array 114, and the MEMS array 122 are on the same plane, the output fiber array 128, the
[0015]
Another cross-connect 200 of the present invention is shown in FIG. Similar to the cross-connect 100 of FIG. 2, the cross-connect 200 has an
[0016]
FIG. 4 shows a modification of FIG. The main difference from FIG. 3 is that the
[0017]
FIG. 5 shows another cross-connect 400 that employs an offset mirror 430 for the
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a plan view illustrating an example of a MEMS mirror array used with the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating an optical cross-connect according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram illustrating another embodiment of the optical cross connect in FIG. 2;
FIG. 4 is a diagram illustrating still another embodiment of the optical cross-connect of FIG.
FIG. 5 depicts a “folded” optical cross-connect according to yet another embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記複数の入力用光ファイバから前記光学信号を受光する複数の入力用レンズと、
前記光学信号を前記複数の出力用光ファイバに向ける複数の出力用レンズと、
入力用及び出力用ミラー列を有するMEMSミラー列であって、前記入力用及び出力用ミラー列の各々は、ミラー素子の各々が選択的に傾斜可能な回転軸を具備する複数のミラー素子を有し、前記入力用ミラー列は前記複数の入力用レンズにより向けられた光学信号を受光するよう配置され、前記出力用ミラー列は前記光学信号を前記複数の出力用レンズに反射するよう配置されるMEMSミラー列と、
前記入力用ミラー列によって向けられた光学信号を受光し、この受光した光学信号を前記出力用ミラー列に反射して戻す、前記MEMSミラー列と光学的に導通した位置に配置された反射素子とから成り、
前記出力用ミラー列は、前記反射素子から反射された光学信号を前記複数の出力用光ファイバに向け、
前記複数の入力用レンズと前記複数の出力用レンズとは、互いに空間を形成するよう離間して共通基板上に形成され、
前記反射素子は前記空間上に配置されて、前記複数の入力用レンズと前記複数の出力用レンズと同一面にあることを特徴とする光学クロスコネクト。 In an optical cross-connect that directs optical signals received from a plurality of input optical fibers to a plurality of output optical fibers ,
A plurality of input lenses that receive the optical signals from the plurality of input optical fibers;
A plurality of output lenses for directing the optical signals to the plurality of output optical fibers;
A MEMS mirror array having an input mirror array and an output mirror array, each of the input mirror mirror array and the output mirror array having a plurality of mirror elements each having a rotation shaft that can be selectively tilted. The input mirror row is arranged to receive an optical signal directed by the plurality of input lenses, and the output mirror row is arranged to reflect the optical signal to the plurality of output lenses. MEMS mirror row,
A reflective element disposed at a position optically connected to the MEMS mirror array, which receives an optical signal directed by the input mirror array and reflects the received optical signal back to the output mirror array ; Consisting of
The output mirror array directs the optical signal reflected from the reflecting element toward the plurality of output optical fibers,
Wherein the plurality of input lens and the plurality of output lenses, are formed on a common substrate and spaced apart to form a space to each other,
The optical cross-connect, wherein the reflection element is disposed in the space and is on the same plane as the plurality of input lenses and the plurality of output lenses .
前記ミラー素子の各々は、前記第1の回転軸と第2の回転軸に対し傾斜可能であることを特徴とする請求項1記載の光学クロスコネクト。The rotating shaft has a first rotating shaft and a second rotating shaft,
The optical cross-connect according to claim 1, wherein each of the mirror elements is tiltable with respect to the first rotation axis and the second rotation axis.
前記複数の出力用レンズは、前記出力用ミラー列から光学信号を受光し、この受光した光学信号を前記複数の出力用光ファイバに向けるように適合されることを特徴とする請求項1記載の光学クロスコネクト。The plurality of input lenses are adapted to receive optical signals from the plurality of input optical fibers and direct the received optical signals to the input mirror array;
The plurality of output lenses are adapted to receive an optical signal from the output mirror row and direct the received optical signal to the plurality of output optical fibers. Optical cross connect.
Applications Claiming Priority (4)
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